C++11 算法详解：std::copy_if 与 std::copy_n

引言

C++11 标准为算法库带来了诸多增强，其中 std::copy_if 和 std::copy_n 作为 std::copy 的补充，为元素复制操作提供了更精细的控制。这两个算法不仅简化了代码逻辑，还提升了可读性和性能。本文将深入探讨这两个算法的实现细节、使用场景及最佳实践，帮助开发者在实际项目中正确高效地应用它们。

std::copy_if：条件筛选复制

函数原型

template< class InputIt, class OutputIt, class UnaryPred >
OutputIt copy_if( InputIt first, InputIt last, OutputIt d_first, UnaryPred pred );

核心功能

std::copy_if 从输入范围 [first, last) 中复制满足谓词 pred 的元素到目标范围（始于 d_first），并保持元素的相对顺序。该算法在 C++11 中引入，是对传统 std::copy 的条件化扩展。

参数解析

• first/last：输入迭代器对，定义源元素范围。
• d_first：输出迭代器，指向目标范围的起始位置。
• pred：一元谓词函数（可调用对象），返回 bool 类型，用于判断元素是否应被复制。

注意：谓词 pred 不得修改输入元素，其参数类型通常为 const T&。

返回值

返回目标范围中最后一个被复制元素的下一个位置迭代器，便于后续操作（如继续添加元素）。

实现逻辑

cppreference 提供的参考实现清晰展示了其工作原理：

template<class InputIt, class OutputIt, class UnaryPred>
OutputIt copy_if(InputIt first, InputIt last, OutputIt d_first, UnaryPred pred) {
    for (; first != last; ++first) {
        if (pred(*first)) {
            *d_first = *first;
            ++d_first;
        }
    }
    return d_first;
}

循环遍历输入范围，对每个元素应用谓词判断，满足条件则复制到目标位置并移动目标迭代器。

示例：筛选容器中的偶数

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> src = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    std::vector<int> dest;
    
    // 预留空间以避免多次扩容（性能优化）
    dest.reserve(src.size());
    
    // 复制所有偶数
    std::copy_if(src.begin(), src.end(), std::back_inserter(dest),
                 [](int x) { return x % 2 == 0; });
    
    // 输出结果：2 4 6 8 
    for (int num : dest) {
        std::cout << num << " ";
    }
}

注意事项

1. 范围重叠：若目标范围与输入范围重叠，行为未定义。此时应考虑 std::copy_backward。
2. 谓词副作用：谓词函数不得修改输入元素，否则可能导致未定义行为。
3. 性能考量：对于大型容器，提前调用 reserve 为目标容器分配空间可避免多次内存分配。

std::copy_n：固定数量复制

函数原型

template< class InputIt, class Size, class OutputIt >
OutputIt copy_n( InputIt first, Size count, OutputIt result );

核心功能

std::copy_n 从起始位置 first 复制恰好 count 个元素到目标范围（始于 result）。该算法同样在 C++11 中引入，填补了传统 std::copy 无法指定复制数量的空白。

参数解析

• first：输入迭代器，指向源范围的起始位置。
• count：要复制的元素数量（若为负数，行为未定义）。
• result：输出迭代器，指向目标范围的起始位置。

返回值

返回目标范围中最后一个被复制元素的下一个位置迭代器（若 count 为 0，则返回 result）。

实现逻辑

参考实现如下：

template<class InputIt, class Size, class OutputIt>
constexpr OutputIt copy_n(InputIt first, Size count, OutputIt result) {
    if (count > 0) {
        *result = *first;
        ++result;
        for (Size i = 1; i != count; ++i, (void)++result) {
            *result = *++first;
        }
    }
    return result;
}

首先处理 count > 0 的情况，复制首个元素后循环复制剩余 count-1 个元素。

示例：复制前 N 个元素

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <numeric>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> src(100);
    std::iota(src.begin(), src.end(), 1); // 填充 1~100
    
    std::vector<int> dest(5);
    // 复制前 5 个元素（1,2,3,4,5）
    std::copy_n(src.begin(), 5, dest.begin());
    
    // 输出结果：1 2 3 4 5 
    for (int num : dest) {
        std::cout << num << " ";
    }
}

注意事项

1. 目标空间不足：若目标容器容量小于 count，会导致缓冲区溢出（未定义行为）。
2. 负数 count：标准明确规定 count 为负数时行为未定义，实际使用中应确保其非负。
3. 迭代器类型：输入迭代器只需满足 LegacyInputIterator，但随机访问迭代器可提升性能（支持 first + i 直接访问）。

对比分析与应用场景

功能差异

特性	std::copy_if	std::copy_n
核心逻辑	条件筛选复制	固定数量复制
关键参数	谓词函数 pred	元素数量 count
元素数量	取决于谓词匹配结果	严格等于 count（若源足够）
顺序保证	保持源范围中的相对顺序	按源范围顺序复制

性能对比

• std::copy_if：需对每个元素执行谓词判断，时间复杂度为 O(N)（N 为输入范围大小），但实际复制次数可能小于 N。
• std::copy_n：时间复杂度为 O(count)，无额外判断开销，适合已知复制数量的场景。

优化提示：当源迭代器为 LegacyContiguousIterator（如 std::vector::iterator）且元素类型为 TriviallyCopyable 时，编译器可能将 std::copy_n 优化为 memmove，大幅提升性能。

典型应用场景

std::copy_if 适用场景

• 数据过滤：从容器中提取满足特定条件的元素（如筛选日志中的错误信息）。
• 数据清洗：移除无效数据（如空字符串、负数等）。
• 条件转换：结合 std::back_inserter 动态构建新容器。

std::copy_n 适用场景

• 批量数据处理：读取固定大小的数据包（如网络通信中的报文头）。
• 截断/截取：获取容器的前 N 个元素（如分页显示前 10 条记录）。
• 定长缓冲区填充：向固定大小的数组中复制数据。

最佳实践与常见陷阱

1. 避免目标容器空间不足

问题：使用 std::copy_n 时，若目标容器大小小于 count，会导致未定义行为。
解决方案：提前确保目标容器有足够空间，或使用 std::back_inserter 自动扩容。

// 错误示例：目标容器大小不足
std::vector<int> dest(3);
std::copy_n(src.begin(), 5, dest.begin()); // 缓冲区溢出！

// 正确示例：使用 back_inserter
std::vector<int> dest;
std::copy_n(src.begin(), 5, std::back_inserter(dest)); // 自动扩容

2. 谓词函数的设计

问题：谓词函数修改输入元素或有副作用。
解决方案：确保谓词为纯函数，仅依赖输入参数且无副作用。

// 错误示例：谓词修改输入元素
std::copy_if(src.begin(), src.end(), dest.begin(),
             [](int& x) { return x++ > 5; }); // 修改了 x

// 正确示例：纯函数谓词
std::copy_if(src.begin(), src.end(), dest.begin(),
             [](int x) { return x > 5; }); // 仅读取 x

3. 处理重叠范围

问题：源范围与目标范围重叠时使用 std::copy_if 或 std::copy_n。
解决方案：若需复制到右侧重叠区域，使用 std::copy_backward；若需条件复制，手动实现安全逻辑。

4. 与其他算法的配合

结合 std::distance 和 std::copy_n 可实现动态数量复制：

// 复制两个迭代器之间的元素（等价于 std::copy）
auto n = std::distance(first, last);
std::copy_n(first, n, result);

总结

std::copy_if 和 std::copy_n 作为 C++11 引入的算法，为元素复制提供了更灵活的选择。前者擅长条件筛选，后者专注固定数量复制，二者相辅相成，可大幅简化代码并提升可读性。实际使用中，需注意目标容器空间、迭代器类型及范围重叠等问题，结合具体场景选择合适的算法。

现代 C++ 倡导使用标准算法而非手动循环，这不仅能减少错误，还能让代码更具表达力。掌握这些算法的细节，将有助于写出更高效、更优雅的 C++ 代码。

参考资料

1. cppreference.com - std::copy_if
2. cppreference.com - std::copy_n
3. ISO/IEC 14882:2011 (C++11 Standard), § 25.3.1]